De vasculaire gezondheid in de hersenschors kan worden gemeten aan de hand van het vermogen van de bloedvaten om te vernauwen of te verwijden onder verschillende fysiologische omstandigheden. Het meten van vasculaire reactiviteit kan nuttig zijn bij de diagnose en behandeling van neurologische aandoeningen die verband houden met cerebrale microvasculaire disfunctie, zoals dementie, traumatisch hersenletsel (TBI) en zelfs veroudering 1,2,3,4. Bovendien kan CVR worden gebruikt als een voorspellende en/of farmacodynamische biomarker voor neurologische aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer5 of TBI 6,7,8,9,10. Er bestaan gevestigde beeldvormingsmethoden om CVR bij menselijke en dierlijke proefpersonen te bestuderen. Een typische methode omvat functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) in combinatie met een exogene of endogene stimulus, zoals hypercapnie11, adem inhouden of acetazolamide2. Lu et al.12,13 toonden aan dat een eenvoudig gasafgiftesysteem in combinatie met MRI-bloedzuurstofniveau-afhankelijke (MRI-BOLD) beeldvorming een nauwkeurige CVR-kaart van de hele hersenen genereert.
Verstoringen van de bloedstroom, het volume en de stofwisseling van zuurstof van de cerebrale vasculatuur veroorzaken veranderingen in de weefselconcentraties van HbO en HbR. Weefselabsorptie van licht in het nabij-infraroodbereik is gevoelig voor veranderingen in de concentratie van hemoglobinesoorten, zoals HbO en HbR. Daarom kan het meten van terugverstrooid licht in de loop van de tijd veranderingen in de HbO- en HbR-concentratie in de buitenste cortex (ongeveer 2 cm)15 kwantificeren, en kan het worden gebruikt om temporele hemodynamische variaties te beoordelen16 , waaronder cerebrovasculaire reactiviteit (CVR)17.
In ons onderzoeksparadigma gebruiken we het fNIRS-instrument met continue golffunctie. Het apparaat bestaat uit 4 bronnen en 10 detectoren, die 16 bron-detectorparen creëren (zie afbeelding 1). De bron-detectorparen zijn samengegoten op een siliconen band die gemakkelijk over het voorhoofd kan worden geplaatst en op zijn plaats kan worden gehouden met een zelfklevende wikkel. Het apparaat meet de lichtintensiteit bij 730 en 850 nm en heeft een acquisitiefrequentie van 2 Hz. Dit systeem is gekozen omdat het patiëntvriendelijk en gemakkelijk te dragen is en gegevens verzamelt van de prefrontale cortex, een hersengebied dat bijzonder kwetsbaar is voor TBI. Gelukkig zijn de meeste andere fNIRS-systemen compatibel met onze CVR-acquisitietechniek, en verschillen ze alleen in de corticale gebieden die worden gemeten op basis van het interessegebied van de hersenen.
Hoewel fMRI wordt beschouwd als de gouden standaard voor functionele beeldvorming van de hersenen, heeft fNIRS-technologie unieke voordelen voor het beoordelen van CVR in vergelijking met fMRI. De fNIRS-beeldvormingstechniek biedt een hoge temporele resolutie (met een granulariteit van milliseconden) en kan veranderingen in zowel de HbO- als de HbR-concentratie kwantificeren, terwijl fMRI alleen veranderingen in HbR 18,19,20 meet. Bovendien zijn fNIRS-instrumenten draagbaar, zuinig en gemakkelijker te bedienen dan fMRI. Ten slotte lost fNIRS-technologie de beweging van de proefpersoon beter op, wat nodig is gezien het feit dat vasculaire uitdagingen zoals hypercapnie vaak worden gebruikt in combinatie met cognitieve of fysieke studietaken21.
In dit artikel wordt een hypercapnie-uitdaging, gecombineerd met fNIRS-technologie, gepresenteerd. We hebben CVR-waarden gemeten en de reproduceerbaarheid van deze methode bestudeerd, in de hoop een betrouwbaar alternatief te bieden voor fMRI-CVR-metingen.